Mécanique statistique d'écoulements idéaux à deux dimensions et demi

Contributions to the statistical mechanics of ideal two and a half dimensional flows

• Auteur / Autrice : Simon Thalabard
• Direction : Bérengère Dubrulle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 28/10/2013
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique de la région parisienne (....-2013)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service de physique de l'état condensé (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Moisy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bérengère Dubrulle, Frédéric Moisy, Julien Barré, Marc-Étienne Brachet, Bruce Turkington
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julien Barré, Marc-Étienne Brachet, Bruce Turkington

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement bidimensionnel

Euler, Équations d'

Mécanique statistique

Turbulence

Mots clés libres

Mécanique statistique,

Turbulence

Quasi-bidimensionnelle,

Axi-symétrie

Statistical Mechanics

Turbulence

Two-and-a-half

Axi-symmetry

Résumé

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la mécanique statistique d’une classe d’écoulements “quasi-bidimensionnels”. Nous nous penchons plus particulièrement sur le cas des écoulements tri-dimensionnels axisymétriques, bidimensionnels stratifiés et bidimensionnels magnéto hydrodynamiques. La dynamique de ces écoulements est génériquement décrite par les équations d’évolution d’un champ de vitesses incompressible bidimensionnel,couplées à une équation d’évolution d’un champ scalaire. Ce dernier représente tantôt une température, tantôt un courant électrique, tantôt un mouvement tourbillonnaire transverse. Ces écoulements ont un intérêt géophysique ou astrophysique : ils peuvent être utilisés pour modéliser grossièrement les ouragans, les courants océaniques à l’échelle planétaire, les taches solaires, etc. Ils ont aussi un intérêt plus fondamental.Malgré leur géométrie bidimensionnelle intrinsèque, les écoulements “2D3C” peuvent être en effet tri-dimensionnellement connotés. Dans les cas que l’on regarde, la vorticité n’est pas seulement transportée : elle est aussi étirée. Il n’est ainsi pas évident de savoir si la tendance naturelle des écoulements 2D3C est de s’organiser en structures cohérentes énergétiques à grande échelle comme en deux dimensions, ou plutôt de répartir leur énergie sur les petites échelles comme en trois dimensions. Il n’est a priori pas clair nonplus de savoir si une forme d’énergie (cinétique ou magnétique/tourbillonnaire) y est privilégiée aux dépends de l’autre.Pour répondre à ces questions de manière très générale, nous étudions et décrivons la mécanique statistique d’équilibre des écoulements 2D3C sus-mentionnés, en nous plaçant d’abord dans le cadre des “ensembles d’équilibre absolu” considérés par Robert Kraichnan à la fin des années 1960, puis dans le cadre plus moderne des “mesures microcanoniques stationnaires” introduites par Raoul Robert, Jonathan Miller et Joël Sommeria pour les fluides bidimensionnels au début des années 1990. Les équilibres 2D3C sont décrits dans la première partie de ce manuscript. La seconde partie du manuscript est plus pratique, et également plus spéculative. Nous nous servons d’ outils de la mécanique statistique d’équilibre pour interpréter des données turbulentes expérimentales provenant d’expériences de type Von Kármán . Nous utilisons ensuite des résultats récents de théorie de probabilité pour montrer que des régimes de turbulence quasi-bidimensionnelle (turbulence tri-dimensionnelle avec rotation,turbulence dans des couches savonneuses) ont des propriétés d’invariance conforme statistique, analogues à celles observées dans des systèmes de spins ferromagnétiques au point critique.

The present manuscript deals with the statistical mechanics of some inviscid fluidmodels which are possibly relevant in the context of geophysics and astrophysics. Weinvestigate the case of axially symmetric flows, two-dimensional Boussinesq flows, andtwo-dimensional magneto-hydro fluids. Those flows can be loosely referred to as twodimensionalflows with three components (“2D3C”). In addition to the two-dimensionalvelocity field, they describe the evolution of an additional field variable, which representseither a magnetic current, a salinity, a temperature or a swirl depending on the situation.In common with the dynamics of strictly two-dimensional hydrodynamical flows, thenon-linear dynamics of 2D3C flows is constrained by the presence of an infinite numberof Casimir invariants, which emerge as dynamical invariants in the limit of a vanishingforcing and a vanishing dissipation . In common with three-dimensional flows, the vorticityis not only mixed but also stretched by the dynamics. The additional field may actas a source or a sink of kinetic energy. It is commonly believed that such flows have thepropensity to develop large scale coherent structures. Whether those long lived structuresare equilibrium or metastable structures is however not so clear, nor are the exactconditions of their emergence. The role of the Casimir invariants in constraining those isnot so obvious either.